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《山东大学》 2012年
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大流量煤气压力调节阀流固耦合机理及动态特性研究

曹芳  
【摘要】:钢厂在生产过程中会产生大量的焦炉和高炉煤气,为了降低钢厂的总体能耗和物耗、减少环境污染,目前许多钢厂开始利用废煤气发电,发展循环经济。但在钢厂循环发电工程中,气体供给量大,对混合煤气的流量要求高达54000Nm3/h以上。在混合煤气的输送管路中采用调节阀进行流量和压力的控制,调节阀公称通径超过200mm,阀内大流量煤气的流动是复杂的非定常三维可压湍流流动,调节阀和混合煤气之间的相互作用是典型的流固耦合问题,这种流固耦合作用会对调节阀及混合煤气流场产生较大影响,因此从流固耦合问题出发对大流量调节阀及其流场的准确的分析是调节阀设计制造和优化的重要前提。本文主要针对发电工程所涉及到的基于流固耦合的大流量调节阀进行了研究。 阐述了流固耦合的基本内涵及研究基础,综述了流固耦合问题的国内外研究概况,介绍了调节阀流固耦合的特点,对在循环发电工程中大流量调节阀流固耦合亟待解决的问题进行了探讨。 针对大流量调节阀建立了流固耦合系统数学模型,采用流固耦合有限元数值计算方法,分析了调节阀结构振动的有限元方程和流体的有限元方程,探讨了大流量调节阀的流固耦合系统基本方程和边界条件;采用Galerkin有限元方法建立了调节阀与混合煤气流固耦合的有限元方程,采用模态分析法进行了动力响应分析;揭示了混合煤气与调节阀的耦合振动机理,并对阀芯进行了动态特性分析;建立了大流量调节阀低频噪声耦合数学模型,从而得到了符合设计要求的耦合振动和噪声的理论分析,为进一步展开流固耦合研究奠定了理论基础。 以大流量混合煤气压力调节阀为研究对象,将数值仿真方法应用于大流量调节阀流固耦合系统的研究中,探讨了流固耦合对大流量调节阀及其流场的影响。揭示了在不同工况下,基于流固耦合的大流量调节阀内混合煤气流场及速度矢量分布,研究了流体旋涡形成的原因、位置及其对调节阀振动产生的影响;探讨了流固耦合对流场压力及压力损失情况、流量及压力控制精度、气流脉动频率的影响。所建立的流固耦合仿真模型对提高模拟的精度以及分析结构的流激振动问题均有实际意义,得到的结果为大流量调节阀的优化设计、噪声研究和试验研究提供了理论指导。 在流固耦合的基础上对大流量调节阀流动特性和噪声进行了研究,得到了不同工况下的流量系数和流阻系数的数值以及噪声水平,绘制出大流量调节阀的实际工作流量特性曲线和流阻特性曲线,采用最小二乘参数辨识的方法建立了流阻系数随开度变化的控制模型,可以为大流量调节阀在较宽工况范围内的流动阻力实现良好的模拟和预测。仿真结果为大流量调节阀优化设计提供了结构和流场参数的量化数据,为理论分析提供了实验基础和理论依据,是降低结构噪声和进行结构优化设计的基础和必要措施。 为使大流量调节阀结构参数和流场参数达到最优,以结构、流场和噪声分析结果为设计准则,提出了大流量调节阀的多学科设计优化框架,实现了涉及到多学科、多物理场的大流量调节阀的建模、分析以及优化的一体化集成。以保证煤气输送能力为前提,在追求减小调节阀噪音的系统优化目标下,减小了调节阀的壁厚和流体速度,满足了雷诺数、应力强度和阀体总质量的要求,即优化后在降低噪音的同时,可以降低产品价格成本、使流动趋于稳定、并且提高调节阀疲劳强度。 分别对基于流固耦合的调节阀阀体和阀芯的动力学特性进行了分析,得到了流体对调节阀阀体和阀芯固有频率及振型的影响,并对其持续动力响应情况进行了探讨,从而能够判断调节阀在受到不同频率的载荷时能否成功地克服共振、疲劳,及其它受迫振动所引起的不良效果。 以调节阀模态分析和结构强度分析为基础,提出了针对大流量调节阀流固耦合系统的结构损伤识别方法,根据阀芯的固有频率的变化来判断损伤裂纹的出现,根据频率变化的多少确定裂纹的大小,从而能够快速有效的诊断出工作环境比较特殊的大流量调节阀内部阀杆的损伤情况,避免煤气泄漏以及阀的动作缓慢或不能正常调节等故障的发生。 通过试验方法,对大流量调节阀动力学模型的有效性和流固耦合数值仿真的可靠性进行了验证。结果表明所建立的调节阀动力学分析模型用于模态的研究具有较高精度,所建立的基于流固耦合的调节阀模型具有较高可靠性,并且对流量和压力的控制精度以及得到的流量系数和流阻系数要比不考虑流固耦合时的精度要高。 从流固耦合问题出发研究大流量混合煤气压力调节阀,提高调节阀的综合性能,实现调节阀在流固耦合作用下的结构优化设计,对于提高我国大流量调节阀的设计研究水平,推动钢厂的燃气-蒸汽联合循环发电工程的进一步发展具有重要的理论意义和工程实践价值。 本课题得到国家863高技术研究发展计划项目“钢厂循环发电工程中大流量煤气的智能优化控制及应用技术(2008AA04Z130)”和高等学校博士学科点专项科研基金资助项目“大流量高频响核电控制阀的多场耦合振动与泄漏自感知机理研究”(20110131110042)的支持。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TH134

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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10 谷敏杰;李绪泉;王刚;;列车空调风道用消声器的性能研究[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十七届学术交流大会暨第八届理事会第一次全会论文集[C];2011年
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2 顾璇;近地/海运动过程中的空气动力学分析[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 刘冬雁;川西高原甘孜黄土记录的早更新世晚期以来的古气候变化[D];中国海洋大学;2009年
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10 赵晓丹;基于非先验函数系的信号识别[D];江苏大学;2010年
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1 胡婷萍;大厚度电子束焊缝的超声检测及缺陷散射信号的研究[D];南昌航空大学;2010年
2 马飞飞;框架结构轻钢加层的地震反应分析研究[D];山东科技大学;2010年
3 丁晓;泡沫铝复合结构声学性能分析与实验研究[D];山东科技大学;2010年
4 郭晓斌;罗茨鼓风机低噪声结构与内流数值模拟研究[D];山东科技大学;2010年
5 王权;起重机减速器变位斜齿轮副有限元仿真分析与研究[D];山东科技大学;2010年
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7 裘杰;加氢空冷系统氯化铵沉积机理及多场耦合数值模拟[D];浙江理工大学;2010年
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【同被引文献】
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3 马玉山;相海军;傅卫平;李德信;原大宁;;调节阀阀芯变开度振动分析[J];仪器仪表学报;2007年06期
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【二级引证文献】
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1 康烨;前后压差对调节阀不平衡力的影响[D];宁夏大学;2014年
【二级参考文献】
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2 刘晓宙,缪国平,唐春权,余志新,刘应中;粘性流体通过二维振荡圆柱的声辐射研究[J];船舶力学;2002年04期
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7 杜佳正;黄荣华;王龙飞;薛赪;;发动机机体缸盖冷却水CFD模拟计算与分析[J];柴油机设计与制造;2007年01期
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10 谷朝红,姚熊亮,陈起富;水轮机部件流固耦合振动特性研究[J];大电机技术;2001年06期
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1 王少波;混流式水轮机转轮动力特性分析及综合优化设计[D];机械科学研究院;2003年
2 邱磊;船舶操纵相关粘性流及水动力计算[D];武汉理工大学;2003年
3 姜云春;基于模型的控制系统鲁棒故障诊断技术研究[D];国防科学技术大学;2006年
4 王其军;瓦斯监测系统故障智能诊断技术研究[D];山东科技大学;2007年
5 张德利;基于贝叶斯网络的故障智能诊断方法研究[D];华北电力大学(河北);2008年
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8 李秀喜;基于GEP的过程监测和化工过程安全运行智能辅助系统研究与开发[D];华南理工大学;2009年
9 张丽莉;基于信息融合的汽油发动机电控系统故障诊断方法研究[D];东北林业大学;2009年
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2 韩宁;应用Fluent研究阀门内部流场[D];武汉大学;2005年
3 张伟政;调节阀内部流场的数值模拟及优化分析[D];兰州理工大学;2007年
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7 潘永成;压力调节阀的流场流动特性和流固耦合特性研究[D];山东大学;2010年
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9 王正茂;油藏含砂流体渗流机理及流固耦合单井数值模拟研究[D];西南石油学院;2004年
10 盖京波;舰船结构在爆炸冲击载荷作用下的局部破坏研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
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1 吉小艳;弧形钢闸门主框架动力稳定性的研究[D];西北农林科技大学;2004年
2 吴忆峰;基于传声损失的双层隔声窗结构参数的优化设计与分析[D];汕头大学;2005年
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4 陆春华;液饱和多孔介质动力响应的弹塑性有限元分析[D];重庆大学;2004年
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6 曹明;流固耦合下压力管道动态断裂数值分析[D];浙江大学;2006年
7 王永权;液力偶合器叶轮与流体的流固耦合模拟与分析[D];吉林大学;2009年
8 代立强;注水导致套管损坏机理及力学模型研究[D];中国科学院研究生院(渗流流体力学研究所);2003年
9 田杰;岩体渗流的流固耦合问题及其工程应用[D];中国科学院研究生院(渗流流体力学研究所);2005年
10 祖楠;考虑流固耦合时的海底管道悬跨段非线性动力分析[D];中国海洋大学;2005年
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